CN203639467U - 基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统 - Google Patents

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王元国
张鹏
王学民
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Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,包括低氧环境的细胞培养舱、氧气钢瓶和氮气钢瓶,氧气钢瓶和氮气钢瓶分别通过减压表和电磁阀与培养舱的不同进气口连接,培养舱内设置有氧气传感器;该系统设置有一个控制器单元,与氧气传感器和电磁阀连接,接收氧气传感器测得的培养舱内的氧浓度值,并根据氧浓度值控制不同电磁阀的通断。本系统具有运行响应时间短,对氧浓度控制精确性高且稳定时间长,使用方便等特点。与传统装置相比,本系统体积小;完全自动化运行;制作成本低;实用性高,为科研工作者提供了良好的平台。

Description

基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统
技术领域
本实用新型涉及一种实验用细胞低氧培养系统,特别是涉及一种基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统。
背景技术
低氧培养系统主要用于研究动物或细胞在相对低氧环境下所发生的一系列病理、生理及分子生物学指标的变化。由于人类本身是复杂的、自我修复的生物系统,体内实验往往受到生活环境、个人体质、循环呼吸系统等复杂因素的影响,很难从人体实验上解释某单一因素对疾病的作用力度和影响水平。因此,在研究细胞处于低氧环境中的整体结构变化和各种相关基因表达的文献中,体外模拟细胞生长的低氧环境、建立低氧细胞模型的工作是非常重要的。通过各种技术手段建立体外细胞低氧培养系统,是细胞生物学研究中一项不可缺少的实验设备。目前市售的细胞低氧培养装置普遍体积庞大,价格昂贵。近年来,对于细胞学低氧的研究一直很多,但一直没有质优价廉的低氧培养系统。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述现有技术中的问题,而提供了一种基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统。该系统通过单片机自动控制,可以调节培养舱内的低氧浓度水平,从而模拟各种细胞在人体内生长的低氧环境,尤其是模拟肿瘤细胞生长的低氧环境。
本实用新型为解决这一问题所采取的技术方案是:
本实用新型的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,包括低氧环境的细胞培养舱、氧气钢瓶和氮气钢瓶,氧气钢瓶和氮气钢瓶分别通过减压表和电磁阀与培养舱的不同进气口连接,培养舱内设置有氧气传感器;该系统设置有一个控制器单元,与氧气传感器和电磁阀连接,接收氧气传感器测得的培养舱内的氧浓度值,并根据氧浓度值控制不同电磁阀的通断。
所述的控制器单元以单片机为控制核心,包括键盘模块、液晶屏显示模块以及系统工作电路、采集氧气传感器信号的数据采集电路、继电器控制电路。
所述的单片机采用PIC系列单片机。
所述的氧气传感器采用KE-25氧传感器。
所述的培养舱的顶部形成有一水封出气孔,从水封出气孔引出一管路,外部接水封瓶,在进气时维持培养舱内外压力相同。
本实用新型具有的优点和积极效果是:
本实用新型的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,是一种实时控制的低氧培养系统,本系统具有运行响应时间短,对氧浓度控制精确性高且稳定时间长,使用方便等特点。
与传统装置相比,本系统具有以下优势:结构简单、体积小;完全自动化运行,且能实时监测和调整培养舱内的氧浓度,并随着氧气的消耗及时自动补充氧气;制作成本低;实用性高,由于低氧与各种临床疾病密切相关,器官组织的低氧可引起肿瘤等各种疾病,对于细胞学低氧的研究一直很多,因此,本系统为科研工作者提供了良好的平台。
附图说明
图1是本实用新型的细胞低氧培养系统的结构框图;
图2是本实用新型的控制器单元的结构框图;
图3是本实用新型的单片机的系统工作电路图;
图4是本实用新型的数据采集电路的电路图;
图5是本实用新型的单片机与液晶屏的管脚连接图;
图6是本实用新型的继电器控制电路的电路图。 
附图中主要部件符号说明:
1:氧气传感器        2:水封出气孔。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本实用新型的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统进行详细的说明。
图1是本实用新型的细胞低氧培养系统的结构框图。如图1所示,本实用新型的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,包括低氧环境的细胞培养舱、氧气钢瓶和氮气钢瓶,氧气钢瓶和氮气钢瓶分别通过减压表和电磁阀与培养舱的不同进气口连接,培养舱内设置有氧气传感器;该系统设置有一个控制器单元,与氧气传感器和电磁阀连接,接收氧气传感器测得的培养舱内的氧浓度值,并根据氧浓度值控制不同电磁阀的通断。
培养舱为耐高温工程塑料培养舱,用于细胞培养。该培养舱可高温高压灭菌。培养舱内置一KE-25氧传感器,用于监测培养舱中的氧气浓度,并将信号以电压信号的方式输出。培养舱的顶部形成有一水封出气孔,从水封出气孔引出一管路,外部接水封瓶,在进气时维持培养舱内外压力相同。气路的传输采用医用压力延长管,氧气钢瓶和氮气钢瓶引出的气体管路通过减压表和电磁阀与培养舱的不同进气口连接。
氧气钢瓶内含95%的氧气和5%的二氧化碳,氮气钢瓶内含95%的氮气和5%的二氧化碳。
图2是本实用新型的控制器单元的结构框图。如图2所示,控制器单元以单片机为控制核心,包括键盘模块、液晶屏显示模块以及系统工作电路、采集氧气传感器信号的数据采集电路、继电器控制电路。主要实现以下几项功能:
(1)实现密闭培养舱内氧浓度的实时调节与检测;
(2)实现按键对液晶屏的显示操作(人机对话),通过液晶屏显示培养舱内的设定氧浓度、当前氧浓度及系统运行时的氧浓度变化值;
(3)利用单片机采集氧气传感器模拟信号,实现对培养舱氧浓度的实时检测,单片机可以根据预设的氧浓度值控制相应继电器的通断,进而通过继电器控制气路上外部电磁阀的通断,从而控制不同钢瓶的气体进入培养舱;
(4)实现按键对相关参数(氧浓度及电磁阀通断)进行设置,完善系统控制性能,并拥有手动和自动两种模式。
单片机将CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时/计数器及各种输入输出接口等多功能部件集成在一块芯片上,具有体积小、功能全、宽电压输入、价格低、电源单一、功耗低、高速度、抗干扰能力强、保密性好等特点,在实际设计中得到越来越广泛的应用。单片机是整个系统的控制中心,协调电路各个部分的工作,对采集的模拟数据进行A/D转换并根据设定程序完成操作,可完成采集数据的存储及传输等功能。
根据低氧培养系统的实际需要,选取的控制器应具备体积小、精度高、低功耗、性价比高等技术指标。通过比较其他单片机,该系统采用PIC系列单片机为主控芯片,可以在性能上满足系统设计需求。
系统采用美国Microchip公司出品的PIC系统级微控制器PICl6F877A作为细胞低氧培养系统的控制芯片。PIC16F877A单片机的核心特点:PIC系列单片机采用哈佛总线结构,就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离,并且采用不同的宽度,在执行一条指令的同时对下一条指令进行操作;便于实现全部指令的单字节化,有利于提高控制器执行指令的速度,提高数据的读取速度;程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的,而且两种存储器宽度也不同,这样可以提高运行速度和实现指令的单字节化;RlSC CPU核心,指令系统具有很少的35条指令,便于掌握和学习,并且具有看门狗定时器,提高了程序的可控性,绝大多数指令为单周期指令,以利于提高执行速度;拥有3种寻址方式,即直接、间接和相对寻址模式;代码压缩率高,1KB的存储器空间能够存放的指令条数可达1024条;程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址空间,而且前两者的地址安排不需要用户设置;集成上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器,尤其是集成模拟数字转换器和CCP模块(输入捕捉/输出比较/脉宽调制),可以减少和免用外接器件,从而有利于电路板空间的节省和制造成本的降低;存储器具有多达368×8bit的数据存储器,256×8bit的EEPROM,用于写入数据的存储,另外还有8K×l4bit的程序存储器;具有3个定时器,定时器功能齐全,带有8位预分频器的8位定时器/计数器Timer 0,带有预分频器的16位定时器/计数器Timer 1,以及带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器Timer 2;两个捕获(Capture)、比较(Compare)、脉宽调制(PWM)模式;8位宽并行从属端口(PSP);8路模拟量输入的10位A/D转换器;带有SPI和12C的同步串行端口SSP;带有9位地址检测的同步/异步串行传输;节电锁定复位的节电检测电路。
PIC单片机的优点:
(1)运行速度高
由于采用了哈佛总线结构,以及指令的读取和执行采用了流水作业方式,使得PICl6F877单片机运行速度大大提高,远远高于其它相同档次的单片机。
(2)功耗低
PICl6F877单片机的功率消耗极低,在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA,在睡眠模式下耗电可以低到1uA以下。
(3)驱动能力强
I/O端口驱动负载能力较强,每个I/O引脚输入和输出电流的最大值可分别达到2mA和20mA,能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。
图3是本实用新型的单片机的系统工作电路图。如图3所示,系统工作电路包括晶振电路和复位电路。两个47K的电阻与复位键RESET组成复位系统;电容C1、C2均为22pF,与32K的晶振组成振荡系统。系统的第11脚和第32脚(VDD)为电压输入端,接+5V电压,第12脚和第31脚(VSS)为接地端。
氧气传感器采用KE-25氧传感器。它是一种特殊电池类型的氧气传感器,其显著特性是生命周期长达5年,化学稳定性优越,成本较低。由于此款氧电池采用酸性电解质化学反应,所以在使用过程中不受二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和氢气等气体影响,使测量氧浓度更加精确。
KE-25氧传感器是由铅阳极、镀金阴极及特定的酸液组成。在两电极间的电流与被测气体中的氧气浓度成正比。传感器输出电压信号由所接的电阻两端电压通过温度补偿后获得,电压信号的变化表示被测气体中氧浓度的变化。KE-25具有较快的响应速度,稳定性能好,自带温度自动补偿电路,输出电压信号值与氧浓度值具有很好的线性度。
图4是本实用新型的数据采集电路的电路图。如图4所示,由于KE-25氧传感器初始输出信号微弱,不适宜远距离传输,而且如此微弱的信号也不适合进行A/D转换。为使氧浓度测量尽量精确,数据采集电路中包括一信号放大电路,在信号传输到单片机之前,对初始信号进行放大。
KE-25氧传感器将氧浓度转化为电压信号,0%的氧浓度对应的电压信号为0mV,100%的氧浓度对应的电压信号为60mV,氧浓度和电压信号之间服从线性关系。电路中选用CA3140高精度运算放大器芯片将氧传感器电压信号进行二级放大,放大倍数为70倍。
放大倍数:
K=(R2/R1)×(R4/R3)  (R1=R3=10K,R2=100K)
为了使K=70,将滑动变阻器R4调至70KΩ。
PIC16F877A单片机内置一个AD转换模块,管脚2~5为AN0~AN3,管脚7~10为AN4~AN7,具有实时数据处理能力,前端可以同时接入8路A/D信号进行转换,这在单片机内是采用时分复用的方式实现的。系统中只有一路模拟信号输入,设计时使用了PIC单片机模拟通道RA0接入,这根管脚同时也是单片机的AN0管脚,输入电压范围为0~5V。在使用时可以通过设置单片机内部的相关寄存器来进行相关信号的配置。
液晶屏显示模块采用“12864”液晶屏显示,“12864”液晶屏是128×64点阵的汉字图形液晶显示屏,可显示汉字及图形,内置国标GB2312码简体中文字库、128个字符及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。它采用的是被动矩阵驱动方式。它的行是由ST7920的32 common直接驱动,列是由ST2920和两个受ST7920控制的ST7921共256 segments共同驱动的。其中,ST7920的64 segments直接驱动LCD上半屏的前64列;上半屏剩下的64列由第一个ST7921的前64 segments驱动;第一个ST7921剩下的后32 segments用来驱动下半屏前32列;下半屏后96列可以用第二个ST7921驱动。“12864”液晶显示模块与PIC16F877A单片机直接连接,图5是本实用新型的单片机与液晶屏的管脚连接图。
键盘模块包括四个按键,分别实现进入设置、手动自动切换、数值加一、数值减一的功能。按键通过上拉电阻连接至单片机I/O口,在按键未按下时,I/O口输入为高电平;当按键按下后,I/O口输入为低电平。通过读单片机I/O口即可实现对按键的识别,按键上并联一个220pF的电容,有去耦滤波的作用。
系统采用继电器对外部的电磁阀进行控制,由于单片机 I/O口驱动能力较弱,电路通过一个三极管来实现对继电器的线圈控制。
图6是本实用新型的继电器控制电路的电路图。继电器控制电路的三极管使用9013,属于NPN型小功率三极管,耗散功率0.625W,特征频率150MHz,其主要用于放大电路。NPN型三极管的应用特点是当基极输入为高电平时接通,输入为低电平时断开。将三极管的集电极和继电器线圈连在一起,三极管发射极和继电器的另外一端分别连接至地和+24V电源就可以实现电磁阀的通断,从而控制继电器触点的通断输出。当三极管断开后,继电器线圈作为一个电感会产生很强的反向电动势,这个电动势可能会击穿三极管,对电路造成损害,因此,为保护三极管,电路在线圈两端并联一个二极管1N4148,为反向电动势提供一个泄放通路,释放掉线圈上的反向电动势。
本实用新型的细胞低氧培养系统的工作过程如下:单片机循环检测氧气传感器信号,将实时数据存储在单片机内部的存储区中,并显示在“12864”液晶屏幕上。
接通电源启动系统,系统显示初始化状态,显示屏显示当前培养舱内氧浓度值,设定氧浓度值21%(系统默认值)。当通过人机接口(键盘)输入一定的氧浓度时(输入范围为0%-95%),单片机将采集到的培养舱内的氧浓度值(当前空气中为21%左右)与按键输入值比较计算,若培养舱内的氧浓度值大于按键输入值的上限值,则单片机控制继电器启动氮气钢瓶电磁阀,向培养舱内输入95%氮气和5%二氧化碳,液晶显示屏显示当前氧浓度呈不断下降状态,直至将当前氧浓度下降到按键输入值的上下限范围内,氧浓度信号传至单片机,单片机控制继电器关闭氮气钢瓶电磁阀。在细胞培养过程中,根据细胞的耗氧情况,系统不断调整氧气钢瓶电磁阀和氮气钢瓶电磁阀的开闭,以维持氧浓度水平在设定值上下限范围内。
本实用新型与传统装置相比,具有自动化、结构简单、制作成本低、安装调试方便等特点。实验结果表明这种低氧培养系统具有氧浓度延迟时间短、变化快、精度高、稳定时间长、使用方便等优点,可用于各种低氧浓度的细胞培养实验。

Claims (3)

1.一种基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,包括低氧环境的细胞培养舱、氧气钢瓶和氮气钢瓶,氧气钢瓶和氮气钢瓶分别通过减压表和电磁阀与培养舱的不同进气口连接,培养舱内设置有氧气传感器;其特征在于:该系统设置有一个控制器单元,与氧气传感器和电磁阀连接;培养舱的顶部形成有一水封出气孔,从水封出气孔引出一管路,外部接水封瓶,在进气时维持培养舱内外压力相同。
2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,其特征在于:控制器单元以单片机为控制核心,包括键盘模块、液晶屏显示模块以及系统工作电路、采集氧气传感器信号的数据采集电路、继电器控制电路。
3.根据权利要求1所述的基于单片机控制的小型便携式细胞低氧培养系统,其特征在于:氧气传感器采用KE-25氧传感器。
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